90 MV·A磷炉电极把持器故障分析及处理

余思民

（云南天安化工有限公司 云南安宁）

一、黄磷炉电极把持器

公司从俄罗斯引进两台90 MV·A黄磷生产电炉，单台年产3万t黄磷。电极把持器（图1）是黄磷炉电极系统的核心部件，作用是夹持、升降和压放自焙电极，同时夹紧导电铜瓦贴紧电极壳，将强大的电流通过导电铜瓦传递给电极完成磷矿熔炼。自焙电极自重＞35 t，电极直径1 700 mm、壳体冷轧钢板厚度3.2 mm，内壁纵向焊有18条肋板，电极保护套以上区间是空壳，保护套区间是电极焙烧区，出保护套区间是焙烧好的电极。电极上下夹持环各安装固定8组夹持油缸，油缸参数：工作油压4.9 MPa、活塞直径320 mm，每组油缸内装9只对合组合碟形弹簧尺寸Φ300 mm×Φ128 mm×18 mm，压平变形量6 mm。上下环夹持油缸和夹持颚板圆周分布见图2，当压放电极时，上环夹持油缸通入4.9 MPa油压打开上环夹持颚板，下环夹持油缸夹持电极，将电极压放油缸升到高位后，上环夹持油缸卸除油压恢复电极夹持，然后下环夹持油缸通入4.9 MPa油压打开下环夹持颚板，电极压放油缸下压完成电极压放，若电极压放量不够重复上述过程。不压放电极时，自焙电极由上下环夹持油缸同时夹持电极，把持器升降油缸完成整个把持器（包括电极）的升降操作。

工作环境受磷烟气、炉料辐射热（＞250℃）、电极电流所产生的强磁场或涡流影响，在生产过程中，电极把持器要能保证将电流导向电极的同时并能夹住自焙电极不滑落、不变形。当电极压放时在电极壳与铜瓦之间又能产生均匀滑动，不会因过松产生打弧烧穿电极壳和铜瓦。

图1 电极把持器结构

图2 上下夹持环油缸分布示意

二、存在问题及分析

设备安装时，因把持器结构复杂，未理解掌握其关键数据，2011年前检修调试电极把持器时往往以检修拆卸时测定的数据作为依据。电极把持器在磷炉生产过程中经常出现电极下滑和电极壳变形的重大事故，给生产造成很大损失。

1.电极下滑

2#磷炉3#电极发生下滑事故。停产检修时，上下环夹持油缸通入4.9 MPa油压，检测夹持颚板与直径1700 mm基准电极壳之间的间隙值见表1。从表1可以看出，夹持颚板与电极壳之间的间隙较大，夹持力不够导致电极下滑。

表1 夹持颚板与基准电极壳间隙测量值 mm

（1）电极受力分析（图3）及电极不下滑条件。P1和P2分别为电极上下环夹持油缸夹持力，P3为导电颚板产生的夹持力（很小，可忽略不计），f1、f2、f3为对应产生的摩擦力。不压放电极时，电极夹持力为 P1、P2、P3；压放电极时，电极夹持力为P1和P3或P2和P3。图3中一段为空电极壳，二段为熔融态的电极，三段为焙烧好的电极。分析图2、图3可知，电极不下滑必须满足上环夹持油缸夹持电极时产生的摩擦力之和8f1要大于等于自焙电极自重G（35000 kg），或下环夹持油缸夹持电极时产生的摩擦力之和8f2要大于等于自焙电极自重G，即8f1=8f2≥G。

图3 电极受力分析

（2）电极夹持力计算。上下环夹持油缸推动油缸内碟簧产生位移变形而产生夹持力，碟簧是在不压放电极（油缸不施加油压）和压放电极（油缸施加4.9 MPa油压）之间循环工作。为便于分析问题，先计算各种工况时的电极夹持力。

①不压放电极时电极夹持力。不压放电极时，油缸不施加油压，上下环夹持油缸同时夹持电极。夹持油缸内碟簧的载荷P1、P2就是电极受到的正压力N，即N=P1=P2。根据摩擦力计算公式f=ζN，查手册得摩擦系数 ζ=0.15、f=f1=f2，将 8f1=8f2≥G 代入 f=ζN计算，N=291 667 N。

②压放电极时电极夹持力。压放电极时，上下环夹持油缸分别通入4.9 MPa油压打开夹持颚板，通过电极压放油缸升降电极。此时，电极的夹持力P1＇、P2＇即夹持油缸内蝶簧受到的载荷。根据压力计算公式F=P×S（F——碟簧载荷，N；P——油压压强，MPa；S——油缸活塞面积，mm），取值P=4.9 MPa、夹持油缸活塞直径D=320 mm，数据代入计算得F=393 882 N，即 F=P1＇=P2＇=393 882 N。

（3）电极夹持颚板与电极间隙计算。运用碟簧压平时的载荷计算公式，建立电极夹持力与碟簧压缩量之间的关系，从而求证电极夹持颚板与电极间的间隙。首先计算查用单片碟簧特性曲线（图4）的相关条件。

①簧压平时的载荷。

图4 单片碟簧特性曲线

式中 Pe——碟簧压平时的载荷计算值，N

E——弹性模量，MPa

μ——泊松比

t——碟簧厚度，mm

h0——碟簧压缩量，mm

D——碟簧外径，mm

K1、K4——计算系数

K1=1/π×[（C-1）/C]2/{[（C+1）/（C-1）]-2/lnC}，其中C=D/d，为直径比。代入 D=300 mm、d=128 mm，计算 K1=0.746。公式（1）取值 K4=1、t=18 mm、μ=0.3、E=2.06 ×105N/mm2、h0=6 mm、K1=0.746，代入数据计算得Pe=471 944 N。

②特性曲线比值。根据前文计算，不压放电极时碟簧的载荷P1=P2=291 667 N，压放电极时碟簧的载荷 P1＇=P2＇=393 882 N。则不同工况时碟簧载荷的比值为P1/Pe=0.618，P1＇/Pe=0.8346。由已知条件，碟环压平时单片压缩量h0=6 mm、碟环厚度t=18 mm，则 h0/t=0.333。

③电极夹持颚板与电极间隙。根据P1/Pe、P1＇/Pe、h0/t比值数据查单片碟簧特性曲线，得到f1/h0=0.62，f1＇/h0=0.81，代入h0=6 mm，计算得到不压放电极时单片碟簧的压缩量f1=3.78 mm，压放电极时单片碟簧的压缩量f1＇=4.86 mm。每组夹持器油缸由9片碟簧对合组合而成，根据对合组合特性得到：

式中 hn——碟簧对合组合时的压缩量，mm

n——碟簧数量

f——单片碟簧变形量，mm

将f1=3.78 mm、n=9代入（2）式，计算得到9片碟簧对合组合时的压缩量h1=34 mm。结果表明在夹持油缸没有通入油压时碟簧组合的变形量必须大于等于34mm，夹持颚板在夹紧位置时电极才不会下滑。将f1＇=4.86 mm 代入（2）式，计算得到9片碟簧对合组合时的压缩量 h1＇=43.7 mm。结果表明在夹持油缸通入4.9 MPa油压时碟簧组合的变形量达到43.7 mm，夹持颚板才能松开电极。

油缸通入4.9 MPa油压时碟簧组合的变形量减去夹紧电极时碟簧组合的变形量，即43.7-34=9.7 mm，也就是夹持油缸通入4.9 MPa油压时夹持颚板与基准电极壳的间隙要＜9.7 mm电极才不会下滑。从表1数据可以看出，8组夹持颚板与基准电极壳间隙值均＞9.7 mm，即夹持颚板没有夹紧电极导致电极下滑事故发生。

2.电极壳变形

2#磷炉2#电极运行中位于保护套上端部（在空壳段）的电极壳出现凹曲变形。停炉检修时油缸通入4.9 MPa油压，测量上（下）环夹持颚板与基准电极壳的间隙值（表2）。初步分析电极壳变形情况，磷炉运行时由上下夹持环各8组夹持油缸通过夹持颚板环抱电极壳夹持电极，电极壳变形可能原因：①电极壳受到夹持油缸施加的侧向均布外力过大失稳变形；②夹持油缸施加非均布外力产生弯曲变形。

从表2上（下）环间隙值可以看出，上环间隙最大与最小偏差7 mm，下环间隙最大与最小偏差8 mm，偏差值较大。根据碟簧性能分析，各组油缸内组合碟簧的压缩量不同，作用在电极上的夹持力也就不同。由前文计算可知，夹持油缸通入4.9 MPa油压时碟簧组合的压缩量为43.7 mm、夹持颚板与基准电极壳的间隙值要＜9.7 mm电极才不会下滑，此时作用在电极上的夹持力最大是393 882 N。从测出的已知间隙值条件计算出单片碟簧压缩量h0和夹持力P1、P2（表2），可定性判断电极壳变形原因。8组上环夹持油缸传递的夹持力P1最大值与最小值相差61 352 N、8组下环夹持油缸传递的夹持力P2最大值与最小值相差70 005 N，夹持颚板夹持力很不平衡，可认为电极壳受到的夹持力已不是均布外力。因此排除侧向均布外力过大失稳变形的可能，剩下的一种变形就是非均布外力造成的弯曲变形，从变形形状看也符合挤压弯曲变形的特征。

三、处理措施

（1）间隙调整前，向夹持油缸通入4.9 MPa油压，检查碟簧压缩量是否相等，若不相等就更换碟簧，确保碟簧的弹力相等。

表2 电极壳变形时相关数据测量值

（2）在夹持油缸通入4.9 MPa油压条件下，上下环各8组夹持颚板与基准电极壳之间的间隙均调整到9±0.5 mm，保证夹持力均衡且均布，电极不下滑、不变形。

2011年初磷炉大检修时，按上述方法检修调整电极把持器夹持油缸颚板间隙。通过近3年生产实践，电极下滑和电极壳变形故障消除。这表明公司工程技术人员对电极下滑和电极壳变形的故障原因分析判断准确、调整方法合理，已掌握国外进口大型磷炉电极把持器检修的核心技术。